本文从linux中的进程、线程实现原理开始，扩展到linux线程模型，最后简单解释线程切换的成本。

刚开始学习，不一定对，好心人们快来指正我啊啊啊！！！

linux中的进程与线程

首先明确进程与进程的基本概念：

• 进程是资源分配的基本单位
• 线程是CPU调度的基本单位
• 一个进程下可能有多个线程
• 线程共享进程的资源

基本原理

linux用户态的进程、线程基本满足上述概念，但内核态不区分进程和线程。可以认为，内核中统一执行的是进程，但有些是“普通进程”（对应进程process），有些是“轻量级进程”（对应线程pthread或npthread），都使用task_struct结构体保存保存。

使用fork创建进程，使用pthread_create创建线程。两个系统调用最终都都调用了do_dork，而do_dork完成了task_struct结构体的复制，并将新的进程加入内核调度。

进程是资源分配的基本单位、线程共享进程的资源

普通进程需要深拷贝虚拟内存、文件描述符、信号处理等；而轻量级进程之所以“轻量”，是因为其只需要浅拷贝虚拟内存等大部分信息，多个轻量级进程共享一个进程的资源。

线程是CPU调度的基本单位、一个进程下可能有多个线程

linux加入了线程组的概念，让原有“进程”对应线程，“线程组”对应进程，实现“一个进程下可能有多个线程”：

• 操作系统中存在多个进程组
• 一个进程组下有多个进程（1:n）
• 一个进程对应一个线程组（1:1）
• 一个线程组下有多个线程（1:n）

task_struct中，使用pgid标的进程组，tgid标的线程组，pid标的进程或线程。假设目前有一个进程组，则上述概念对应如下：

• 进程组中有一个主进程（父进程），pid等于进程组的pgid；进程组下的其他进程都是父进程的子进程，pid不等于pgid
• 每个进程对应一个线程组，pid等于tgid。
• 线程组中有一个“主线程”（勉强称为“主线程”，位的是与主进程对应；语义上绝不能称为“父线程”），pid等于该线程组的tgid；线程组下的其他线程都是与主线程平级，pid不等于tgid

因此，调用getpgid返回pgid，调用getpid应返回tgid，调用gettid应返回pid。使用的时候不要糊涂。

进程下除主线程外的其他线程是CPU调度的基本单位，这很好理解。而所谓主线程与所属进程实际上是同一个task_struct，也能被CPU调度，因此主线程也是CPU调度的基本单位。

tgid相同的所有线程组成了概念上的“进程”，只有主线程在创建时会实际分配资源，其他线程通过浅拷贝共享主线程的资源。结合前面介绍的普通线程与轻量级进程，实现“进程是资源分配的基本单位”。

举个栗子

• 存在3个进程组111、112、113
  • 进程组111下有1个父进程111，单独分配资源
    • 进程111下有1个线程111，共享进程111的资源
  • 进程组112下有1个父进程112，单独分配资源
    • 进程112下有2个线程112、113，共享进程112的资源
  • 进程组113下有1个父进程113，1个子进程115，各自单独分配资源
    • 进程113下有2个线程113、114，共享进程113的资源
    • 进程115下有3个线程115、116、117，共享进程115的资源

小结

现在再来理解linux中的进程与线程就容易多了：

• 进程是一个逻辑上的概念，用于管理资源，对应task_struct中的资源
• 每个进程至少有一个线程，用于具体的执行，对应task_struct中的任务调度信息
• 以task_struct中的pid区分线程，tgid区分进程，pgid区分进程组

linux线程模型

一对一

LinuxThreads与NPTL均采用一对一的线程模型，一个用户线程对应一个内核线程。内核负责每个线程的调度，可以调度到其他处理器上面。Linux 2.6默认使用NPTL线程库，一对一的线程模型。

优点：

• 实现简单。

缺点：

• 对用户线程的大部分操作都会映射到内核线程上，引起用户态和内核态的频繁切换。
• 内核为每个线程都映射调度实体，如果系统出现大量线程，会对系统性能有影响。

多对一

顾名思义，多对一线程模型中，多个用户线程对应到同一个内核线程上，线程的创建、调度、同步的所有细节全部由进程的用户空间线程库来处理。

优点：

• 用户线程的很多操作对内核来说都是透明的，不需要用户态和内核态的频繁切换。使线程的创建、调度、同步等非常快。

缺点：

• 由于多个用户线程对应到同一个内核线程，如果其中一个用户线程阻塞，那么该其他用户线程也无法执行。
• 内核并不知道用户态有哪些线程，无法像内核线程一样实现较完整的调度、优先级等

多对多

多对一线程模型是非常轻量的，问题在于多个用户线程对应到固定的一个内核线程。多对多线程模型解决了这一问题：m个用户线程对应到n个内核线程上，通常m>n。由IBM主导的NGPT采用了多对多的线程模型，不过现在已废弃。

优点：

• 兼具多对一模型的轻量
• 由于对应了多个内核线程，则一个用户线程阻塞时，其他用户线程仍然可以执行
• 由于对应了多个内核线程，则可以实现较完整的调度、优先级等

缺点：

• 实现复杂

线程切换

linux采用一对一的线程模型，用户线程切换与内核线程切换之间的差别非常小。同时，如果忽略用户主动放弃用户线程的执行权（yield）带来的开销，则只需要考虑内核线程切换的开销。

注意，这里仅仅是为了帮助理解做出的简化。实际上，用户线程库在用户线程的调度、同步等过程中做了很多工作，这部分开销不能忽略。

如JVM对Thread#yield()的解释：如果底层OS不支持yield的语义，则JVM让用户线程自旋至时间片结束，线程被动切换，以达到相似的效果。

什么引起线程切换

• 时间片轮转
• 线程阻塞
• 线程主动放弃时间片

线程切换的开销

直接开销

直接开销是线程切换本身引起的，无可避免，必然发生。

用户态与内核态的切换

线程切换只能在内核态完成，如果当前用户处于用户态，则必然引起用户态与内核态的切换。（“用户态与内核态的切换”具体带来什么成本？？？）

上下文切换

前面说线程（或者叫做进程都随意）信息需要用一个task_struct保存，线程切换时，必然需要将旧线程的task_struct从内核切出，将新线程的切入，带来上下文切换。除此之外，还需要切换寄存器、程序计数器、线程栈（包括操作栈、数据栈）等。

线程调度算法

线程调度算法需要管理线程的状态、等待条件等，如果根据优先级调度，则还需要维护优先级队列。如果线程切换比较频繁，该成本不容小觑。

间接开销

间接开销是直接开销的副作用，取决于系统实现和用户代码实现。

缓存缺失

切换进程，需要执行新逻辑。如果二者的访问的地址空间不相近，则会引起缓存缺失，具体影响范围取决于系统实现和用户代码实现。如果系统的缓存较大，则能减小缓存缺失的影响；如果用户线程访问数据的地址空间接近，则本身的缓存缺失率也比较低。

对页表等快慢表式结构同理。

参考:

• Linux 线程实现机制分析
• 历史上线程的3种实现模型
• 从Java视角理解系统结构(一)CPU上下文切换
• 从Java视角理解系统结构（二）CPU缓存
• 从Java视角理解系统结构（三）伪共享

本文链接：浅谈linux线程模型和线程切换
作者：猴子007
出处：monkeysayhi.github.io
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